книги / Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов

ности, енижение видового разнообразия наземных позвоночных;животных при резком увеличении численности се­ рых крыс.

Объекты, подобные «Софронам», являются типичными для России. Например, полигон твердых бытовых отходов г. Брянска был введен в эксплуатацию в 1987 году без специальной инженерной подготовки. Расчетный срок эк­ сплуатации —36 лет. Земельный отвод составляет 100 га, эксплуатируемая площадь — 27 га. Полигон расположен на расстоянии 400 м от железной дороги и 500 м от насе­ ленного пункта Большое Полпино [14]. В Московском ре­ гионе одним из экологически опасных объектов является Кулаковский полигон ТБО, расположенный в 3,5—4 км южнее г. Чехова. Объект эксплуатируется с 1966 г., его площадь 13,6 га, мощность слоя отходов колеблется от 5 до 18 м [15].

На Втором международном конгрессе по управлению отходами в Москве было отмечено, что на 2001 год в Рос­ сии не существует ни одного санитарного полигона, обес­ печенного полным набором инженерных элементов, хотя на территориях Московской, Самарской, Кировской обла­ стей имеются полигоны, обустроенные системами контро­ ля фильтрата и свалочного газа, противофильтрационными экранами и пунктами въездного контроля [16].

Все эти объекты являются источниками загрязнения при­ родной среды метаном и другими опасными газами в тече­ ние длительного времени и на пострекультивационном этапе ограниченно пригодны для хозяйственного освоения, в пер­ вую очередь из-за выделения биогаза.

Количество выделяющегося метана зависит от многих факторов — климато-географических условий, типа и структуры почвы, режима поступления воды, разнообра­ зия микрофлоры и наличия органического углерода (Со г) и других органогенов. Применительно к полигонам ТБО значимыми факторами метаногенеза являются: влажность отходов, температура, pH, количество органически разла­ гаемого углерода Сорг[2, 4—6].

Образование метана на полигонах длится от нескольких десятилетий до столетий, однако интенсивная реакторная фаза, в которой он усиленно образуется, ограничивается 10—30 годами [17].

Несмотря на то что закономерности метаногенеза доста­ точно хорошо изучены и с биохимической точки зрения метаногенез подробно описан в литературе [1 ,2 , 18], чет­ кие ответы на вопросы о том, какие полигоны представля­ ют наибольшую опасность, существует ли уровень накоп­ ления отходов, ниже которого образование биогаза безо­ пасно, пока отсутствуют.

Активное управление метаногенезом должно базировать­ ся на анализе общих закономерностей, свойственных про­ цессу разложения ТБО, и соответствующей классифика­ ции полигонов как источников метана. Полигоны ТБО различаю тся мощностью свалочного тела, наличием инженерной инфраструктуры, возрастом и этапом жизнен­ ного цикла. Главными факторами, определяющими дли­ тельность и уровень метаногенеза, являются содержание органически разлагаемого углерода в отходах, их темпера­ турно-влажностный режим, степень уплотнения.

Объемы, состав и срок действия эмиссии зависят от ин­ дивидуальных особенностей захоронения ТБО. Вместе с тем полигоны, как источники метана, можно разделить на три группы:

несанкционированные старые свалочные тела с зем­ ляной засыпкой, закрытые для приема отходов и находя­ щиеся на разных стадиях метаногенеза, от интенсивных до затухающих эмиссий метана;

—санкционированные свалки, построенные без необхо­ димой инженерной инфраструктуры, функционирующие или закрытые для приема, находящиеся на стадии рекуль­ тивации, у которых активная фаза метаногенеза еще впе­ реди;

—новые полигоны, оборудуемые системами дегазации и противофильтрационной защитой, на которых возможны контроль и управление процессом образования метана.

Первая и частично вторая группы обычно характеризу­ ются отсутствием учета длительности воздействия склади­ рованных отходов на окружающую среду, большим содер­ жанием органической составляющей в отходах, отсутстви­ ем системы дегазации, применением земляной засыпки в качестве защитного покрытия и отсутствием изолирующей пересыпки складируемых слоев отходов. Процессы мета­ ногенеза на объектах первой группы, закрытых для при­

ема ТБО более 20 лет назад, находятся на уровне затуха­ ния эмиссий. Поэтому стратегия восстановления террито­ рий, занятых этими объектами, должна быть основана на оценке характера эмиссий. Если наблюдаемые эмиссии выше установленных нормативов, требуются системы де­ газации и эффективного мониторинга. При отсутствии эмиссий свыше нормативных пределов свалки первой груп­ пы могут стать частью городской территории.

Объекты второй группы обычно представлены свалками площадью более 30—40 га, находятся вне селитебных тер­ риторий. Процесс складирования ведется десятки лет. Часть территории этих свалок рекультивирована и находится на стадии эмиссий. Другая часть —на стадии активной эксп­ луатации, или на стадии накопления метанового потенци­ ала. Экономически целесообразно более длительное исполь­ зование выделенной территории, которое достигается пу­ тем изменения инженерной инфраструктуры полигона, совмещения этапа рекультивации на одних картах рабоче­ го тела с дополнительным размещением отходов в виде откосов, наращивания высоты складируемых отходов, уп­ лотнения и выравнивания центральной части рабочего тела. На полигонах такого типа возможна организация систем сбора и отвода ливневых и фильтрационных вод, пассив­ ной или активной дегазации тела. При таком подходе ста­ новится эффективным и экономически достижимым ак­ тивное управление метаногенезом.

Что касается захоронений третьей группы, то для них в полном объеме может осуществляться стратегия управле­ ния отходами, позволяющая поэтапно приблизиться к инер­ тному телу свалки. Соответствующий выбор технологии захоронения (предварительное озоление, компостирование отходов с высоким содержанием биологически разлагае­ мого углерода, обработка тела свалки фильтратом, дегаза­ ция и т.д.) позволяет управлять скоростью разложения от­ ходов и геометрией поверхности захоронения, сократить период выделения сточных вод и биогаза и перейти к эта­ пу инженерного освоения задолженных под свалки терри­ торий.

Для эксплуатируемых и проектируемых полигонов ос­ новным инструментом управления метаногенезом являют­ ся формирование потока направляемых на захоронение от­

ходов с заданными свойствами по уровню содержания био­ разлагаемых компонентов, влажности и организации сис­ тем дегазации свалочного тела.

Если системы управления потоком отходов, направляе­ мых на захоронение, достаточно хорошо разработаны и вне­ дряются в развитых странах [2] и начинают внедряться в России [1, 10, 16], то выбор метода дегазации пока являет­ ся одной из сложнейших и малоразработанных проблем. В общем виде выбор методов дегазации зависит от мощности полигона, морфологии отходов, возраста, этапа жизненно­ го цикла, наличия элементов инженерной инфраструкту­ ры, водного баланса, интенсивности протекания биохими­ ческих процессов, климатических особенностей региона и экономических возможностей владельца.

Технологии дегазации существенно различаются по ве­ личине капитальных и текущих затрат, наличию блоков по утилизации биогаза (получение тепловой или электри­ ческой энергии), факельного хозяйства, устройств по рас­ сеиванию биогаза в атмосферу. В связи с этим особенно важным представляется строго дифференцированный под­ ход к выбору метода и технологии дегазации полигонов.

Для небольших молодых свалок и свалок промежуточ­ ного возраста с объемом свалочного тела менее 50 тыс. м3, не имеющих систем дегазации, эффективным средством регулирования эмиссии биогаза является изолирующее по­ крытие из рыхлого грунта в сочетании с такими относи­ тельно недорогими техническими средствами регулирова­ ния движения биогаза, как дренажные канавы, траншеи и т.д.

На пике эмиссии биогаза для предотвращения опаснос­ ти возникновения взрывов и пожаров дополнительно мо­ гут устраиваться вертикальные колодцы для дренирова­ ния биогаза. Сложившаяся практика свидетельствует о до­ статочной надежности такого решения.

Для экономически целесообразного получения энергии из метана, образующегося на полигонах ТБО, необходимо иметь полезный объем полигона не менее 500 000 м3. Коли­ чество таких объектов в Российской Федерации и их при­ близительный газовый потенциал показаны в таблице 1.2.

Организация экономически выгодной утилизации био­ газа осложняется тем, что после относительно кратковре­

менного периода больших объемов образования метана наступает 20—30-летний период постепенного уменьшения. Для пользователя это означает необходимость позаботить­ ся не только о резервной мощности электроэнергии, но и о дополнительном подводе природного газа в перспективе [2].

Устройство окончательного покрытия объекта захоро­ нения отходов, направление рекультивации и стратегия дальнейшего использования территории зависят от его га­ зового потенциала и длительности метаногенеза.

Таблица 1.2

Классификация свалок и полигонов по мощности и газовому потенциалу [19]

Старые свалочные тела, находящиеся на стадии эмис­ сий и, как правило, обтекаемые новой застройкой, целесо­ образно восстанавливать как можно быстрее. Расположен­ ные близко к границам города, они ограничивают разви­ тие городской застройки и ухудшают экологическую обстановку в пригородной зоне.

Для функционирующих полигонов, имеющих, бла­ годаря продуманному расположению, резервные терри­ тории для расширения и вновь проектируемых полиго­ нов стратегической задачей является создание инерт­ ного тела полигона, сводящего образование метана к минимуму. Эмиссии метана при этом должны быть на таком уровне, который не препятствует инженерному освоению территорий закрытых полигонов. При этом надо учитывать, что процесс градостроительного про­ ектирования имеет тенденцию к ужесточению экологи­ ческих правил, в результате чего со временем даже хо­ рошо организованные свалки перестают соответствовать нормам.

Таким образом, с точки зрения восстановления и даль­ нейшего освоения территорий свалок и полигонов можно выделить две градостроительные категории захоронений ТБО:

—свалки, расположенные в границах населенных мест,

взоне перспективного градостроительного освоения; —свалки или полигоны вне зоны перспективного градо­

строительного освоения.

Стратегия восстановления свалочных тел первой градо­ строительной категории должна базироваться на оценке и прогнозировании эмиссий и разработке соответствующих технических мероприятий, обеспечивающих безопасность инженерного освоения этих территорий. Применяемый при этом комплекс технических мероприятий может широко варьировать и при необходимости включать в себя различ­ ные методы дегазации, а при их недостаточности —экска­ вацию и вывоз свалочного грунта.

Стратегия формирования инертного тела полигона при­ влекательна в экологическом и экономическом отношении, так как позволяет удлинять срок использования террито­ рий без отчуждения новых земель, при сохранении всей созданной инфраструктуры: очистных сооружений, систем дегазации и утилизации биогаза, мониторинга и т.д. Ин­ тенсификация использования земель является альтерна­ тивой поглощения новых земельных ресурсов. Площадь резервного развития должна быть заложена при выборе площадок при проектировании новых полигонов. При та­ кой стратегии оператор длительное время, до 50 лет, мо­ жет использовать старый землеотвод, формируя при этом инертное тело полигона.

Для того чтобы при наименьших затратах достичь наи­ большего снижения эмиссий и возвращения хозяйствен­ ной ценности территории, стратегия и тактика управле­ ния движением отходов должны базироваться на принци­ пах направленного регулирования процесса метаногенеза.

В следующих главах рассмотрены основные экологичес­ кие риски, связанные с выделением биогаза на разных эта­ пах жизненного цикла, механизм метаногенеза, факторы, оказывающие на него наибольшее влияние, методология прогнозирования эмиссий, инженерно-технические и кон­ структивные мероприятия, обеспечивающие управление метаногенезом.

1.3.Экологические риски, связанные

сметаногенезом

Полигоны захоронения ТБО являются примером со­ временных природно-техногенных геосистем, связанных с окружающей средой и влияющих на состояние ее ком­ понентов: геологической среды, природных вод, атмос­ ферного воздуха и биотических сообществ. Влияние за­ хоронений на окружающую среду обусловлено образую­ щимся при деструкции ТБО биогазом, фильтрационными водам и, ф орм ированием техногенны х свалочны х грунтов.

Наиболее высоким потенциалом опасности обладает био­ газ. При благоприятных условиях из каждой тонны ТБО образуется до 180 м3 сырого биогаза [20]. Воздействие био­ газа сказывается на глобальном и локальном уровнях. Спо­ собность биогаза воздействовать на озоновый слой, вызы­ вать парниковый эффект, загрязнение воздуха —явление планетарного масштаба.

На локальном уровне биогаз оказывает токсическое воз­ действие на человека (органы дыхания, осязания, зрения), вызывает взрывы и пожары, угнетение растительности и загрязнение почвы. К дополнительным воздействиям био­ газа локального характера относятся опасности, возника­ ющие на полигоне при эксплуатации систем сбора и ути­ лизации биогаза: опасность взрывов и пожаров в рабочей зоне, образование вторичных загрязнителей при перера­ ботке биогаза (диоксины, пыль, С02 и т. д.), коррозия тех­ нического оборудования.

Эти воздействия обусловлены, прежде всего, составом биогаза. Метан является одним из основных компонентов биогаза. Ежегодная эмиссия метана с полигонов ТБО со­ ставляет приблизительно 0,09—0,8 млн. тонн (табл. 1.3) [19, 20]. Общее количество метана, ежегодно поступающе­ го в атмосферу Земли, составляет 310-990 млн. тонн. Причем эмиссии, вызванные деятельностью человека, примерно в два раза выше, чем естественные эмиссии (табл. 1.4) [21].

Метан, образуясь в анаэробных условиях полигона, лег­ ко проникает через рыхлые пористые породы, мало уплот­ ненные ТБО. Он может распространяться под землей на боль-

Таблица 1.3

Эмиссия метана с полигонов ТБО различных регионов на 1995 г. [21]

шие расстояния (1800 м и более) от рабочего тела полигона, накапливаться в подвалах зданий и сооружений и вызы­ вать там взрывы [2]. Это является одним из основных пре­ пятствий для развития градостроительной деятельности на территориях закрытых и рекультивированных свалок.

1.3.1. Влияние на здоровье человека

Биогаз состоит из более 100 компонентов с различными свойствами. По влиянию на здоровье человека и животных срставляющие биогаза можно разделить на инертные, к ко­ торым относятся метан, мот, водород, и ядовитые: углекис­ лый и угарный газы, тяжелые углеводороды, сероводород. Их вредное воздействие выражается в следующем [22, 23].

Метан обладает способностью накапливаться до концен­ траций, вызывающих удушье.

Диоксид углерода в высоких концентрациях опасен для здоровья (при высоком содержании кислорода и С02 > 3% через 0,5-1 часа происходит потеря сознания, а при 9% С02 через 5-10 мин наступает смерть).

Сероводород оказывает влияние на нервную систему, органы обоняния. При концентрации 0,04% в течение 0,5—1 часа вызывает головокружение и одышку, а при 0,08% в течение 5—10 мин —смерть. При концентрациях менее 0,00001% отравление проявляется крайне редко.

Оксид углерода содержится в биогазе в следовых коли­ чествах, но при накоплении до концентрации 0,2% вызы­ вает одышку, судороги, потерю сознания, до 0,5% в тече­ ние 5—10 мин —смерть.

Некоторые компоненты биогаза, содержащиеся в нем даже в малых концентрациях, канцерогенны или токсичны. Содержание этих компонентов в биогазе может значительно превышать установленные для них ПДК в атмосферном

1.3.2.Опасности возникновения взрывов

ипожаров

Горючесть и взрывоопасность биогаза зависят в первую очередь от содержания в нем метана. Для биогаза, состоя­ щего из нескольких горючих компонентов, справедливы пределы воспламеняемости метана. Метан в смеси с возду­ хом воспламеняется в пределах 5—15 об. %. Взрыву пре­ пятствуют некоторые компоненты биогаза, такие как азот и двуокись углерода [1]. При наличии нескольких горю­ чих компонентов, например метана и водорода, вероятность взрыва может увеличиваться, а под воздействием азота и оксида углерода - снижаться.

Способность биогаза перемещаться в земле и накап­ ливаться в трубопроводах, туннелях, технических под­ польях зданий и т. д., в сочетании с повышенной темпе­ ратурой в результате экзотермических реакций, проте­ каю щ их в толщ е отходов, создает потенциальную опасность возгорания газа, его локальных прорывов, а также взрывов.

На диаграмме показана область взрыва, возникающая при смешивании компонентов биогаза с воздухом (рис. 1.1).